Năm 620, Lý Thế Dân dẫn quân tiến đánh Lạc Dương, Vương Thế Sung dẫn quân giao chiến. Ở Lạc Dương đã liên tục xảy ra giao tranh vô cùng kịch liệt. Vương Thế Sung bại trận, lập tức rút quân vào thành Đông Đô để cố thủ. Quân Đường triển khai bao vây Lạc Dương.
Thành Đông Đô ở Lạc Dương là một thành trì vô cùng vững chắc, mới được Tùy Dạng Đế ra lệnh xây dựng. Đây là tòa thành cao, có tường dày, trong thành còn trang bị nhiều loại khí giới phòng thủ với sức sát thương rất mạnh. Quân Đường phải dừng lại dưới chân thành kiên cố ấy, chưa thể công phá ngay được.
Giao chiến ở vòng ngoài Lạc Dương vô cùng dữ dội. Dưới trướng của Tần vương Lý Thế Dân có Phiêu kỵ tướng quân Đoàn Chí Huyền. Ông giao chiến kịch liệt với quân của Vương Thế Sung, tiến sâu vào đội hình đối phương. Khi chiến mã bị hạ gục, Đoàn Chí Huyền bị quân địch bắt sống.
Sau đó, có hai kỵ binh áp giải Đoàn Chí Huyền, họ túm tóc kéo ông vượt qua sông Lạc Thủy. Bỗng ngay lúc đó, Đoàn Chí Huyền bất ngờ bật người nhảy lên, đạp hai tên lính ngã văng xuống ngựa, rồi đoạt lấy một con ngựa khác, chạy về phía quân Đường. Thấy tù nhân bỏ trốn, quân nước Trịnh lập tức phái hàng trăm kỵ binh đuổi theo, nhưng không ai dám áp sát.
Các tướng dưới trướng Lý Thế Dân đều rất trung thành. Lúc ấy, còn có một Phiêu kỵ tướng quân khác là Vương Hoài Văn được giao nhiệm vụ trinh sát, nhưng không may bị Vương Thế Sung bắt được.
Vương Thế Sung tỏ ra nhân hậu để có thể chiêu hàng tướng địch, nên đã cho Vương Hoài Văn đứng ngay bên cạnh mình. Không ngờ, khi Vương Thế Sung đang bày trận bên bờ sông Lạc Thủy, Vương Hoài Văn đột nhiên dùng thương đâm thẳng vào ông ta. Mũi thương đâm xuyên qua áo giáp nặng bên ngoài.
Bên trong giáp của Vương Thế Sung còn có mặc những lớp áo giáp mềm, nên Vương Hoài Văn không đâm xuyên được. Khi đó các tướng lĩnh xung quanh đều giật mình đến mức sững sờ. Vương Hoài Văn lập tức quay người chạy về phía quân Đường, nhưng ngay lập tức bị bắt lại và xử chết.
Trải qua một trận chiến khốc liệt, Lý Thế Dân đã đánh bại quân Trịnh của Vương Thế Sung, buộc ông ta phải chạy vào thành để cố thủ. Với thế tiến công mạnh mẽ, thành Đông Đô đã bị quân Đường chiếm đóng, Vương Thế Sung buộc phải rút lui vào Cung thành.
Thành Đông Đô có phân chia làm các khu vực khác nhau như Ngoại thành, Hoàng thành, Cung thành. Ngoại thành là nơi dân chúng sinh sống, Hoàng thành là nơi đặt cơ quan triều đình, và Cung thành là khu vực dành cho hoàng đế.
Khi Tần Vương Lý Thế Dân bao vây Cung thành ở Lạc Dương, trong thành phòng thủ vô cùng vững chắc. Có loại đại pháo bắn đá nặng tới năm mươi cân, có thể bắn xa hai trăm bộ, tức là khoảng 240 mét. Lại có loại cơ nỏ có thể bắn liên tục tám mũi tên, với mũi tên lớn, tầm bắn xa tới năm trăm bộ, có cảm giác như súng máy thời nay.
Lý Thế Dân cho quân tấn công bốn mặt, ngày đêm không nghỉ, nhưng đã hơn mười ngày mà vẫn không sao công phá được. Trong thành có mười ba tốp người tìm cách bỏ trốn, chưa ra khỏi thành đã bị Vương Thế Sung bắt và giết toàn bộ. Còn bên phía tướng sĩ quân Đường thì không công phá được thành, họ đều đã mệt mỏi rã rời, họ muốn rút quân, vì từ trận Từ Giản tháng 7 năm 620 đến khi bao vây Cung Thành, đã là hơn nửa năm chinh chiến liên miên.
Tổng quản Lưu Hoằng Cơ báo lại tình hình này cho Lý Thế Dân. Tần vương Lý Thế Dân nói: “Chúng ta đã tốn bao nhiêu sức lực, cần phải đánh một trận mà dứt điểm. Nay các châu phía đông đều đã nghe gió mà hàng, chỉ còn một mình Lạc Dương cô lập, ắt hẳn không thể trụ lâu. Thành công đã ở ngay trước mắt, sao có thể bỏ dở được!”
Lý Thế Dân cho rằng nếu lúc này mà rút quân, thì những châu huyện đã quy phục nhà Đường e rằng sẽ quay lại đầu hàng Vương Thế Sung. Vì vậy, ông ra nghiêm lệnh rằng: “Lạc Dương chưa phá, tuyệt không rút quân. Ai dám nhắc đến rút quân, trảm!” Tướng sĩ nghe vậy đều im lặng, không ai dám nhắc thêm.
Sau khi tin này truyền đến Trường An, Đường Cao Tổ Lý Uyên đã bí mật phái người bảo Lý Thế Dân rút quân về. Đây chính là một trong những điều bất ngờ Lý Thế Dân phải đối mặt. Thế nhưng ông vẫn kiên quyết chủ trương phải tiếp tục tác chiến, chỉ phái mưu sĩ Phong Đức Di trở về Trường An để trình bày trực tiếp với Đường Cao Tổ về tình hình tiền tuyến. Phong Đức Di tâu rằng nếu rút quân, binh lực của Vương Thế Sung sẽ phục hồi tinh thần, đến lúc đó sẽ càng khó đánh bại hơn. Đường Cao Tổ đã nghe lời phân tích, rồi mới đồng ý cho Lý Thế Dân tiếp tục công thành.
Lý Thế Dân còn viết thư cho Vương Thế Sung, phân tích lợi hại, nhưng Vương Thế Sung không hề trả lời.
Lúc này, tình hình trong thành Lạc Dương đã vô cùng thê thảm. Từ khi Vương Thế Sung khởi binh đến nay, ông ta luôn có một vấn đề không sao giải quyết nổi, đó là quân lương.
Bản thân Lạc Dương không thể tự sản xuất lương thực, mà hoàn toàn phải dựa vào sự vận chuyển lương từ khắp nơi, theo Đại Vận Hà đưa đến Đông Đô. Xung quanh Đông Đô vốn có các kho lương lớn như Hưng Lạc, Lạc Khẩu, Lê Dương. Lúc đầu các kho này bị Lý Mật chiếm đóng, sau lại rơi vào tay quân Đường. Vì vậy, dù Đông Đô cách kho lương không xa, nhưng suốt từ đầu đến cuối mà vẫn không lấy được chút lương thực nào.
Sau hơn mười ngày bị vây khốn, trong thành đã hoàn toàn cạn lương. Một tấm lụa quý chỉ đổi được ba thăng gạo, một tấm vải thô chỉ đổi được một thăng muối. Những bộ y phục đẹp và châu báu từng vô cùng quý giá, nhưng giờ thì rẻ như đất cát, chẳng ai thèm đoái hoài.
Dân chúng phải ăn lá cây, cỏ rễ để cầm hơi, ăn hết rồi thì ăn cả đất, thân thể bị phù thũng, chân tay yếu ớt. Trước đó, Hoàng Thái Chủ từng dời ba vạn hộ vào Lạc Dương, thế mà nay đã chết đói đến chín phần mười. Ngay cả các quan từ cấp Thượng thư lang trở xuống (tương đương cấp vụ, sở) cũng chết đói rất nhiều.
Thực ra, chỉ cần Lý Thế Dân tiếp tục vây khốn mà không cần đánh, cuối cùng Vương Thế Sung và toàn bộ quân dân trong thành cũng sẽ chết đói. Nhưng đúng vào lúc ấy, lại xảy ra một chuyện hoàn toàn ngoài dự liệu.
Trước khi Lý Thế Dân bao vây Lạc Dương, Vương Thế Sung đã cảm thấy thế đơn lực mỏng, khó có thể chống đỡ lâu dài, nên đã bí mật liên lạc với Đậu Kiến Đức ở Hà Bắc.
Mưu sĩ của Đậu Kiến Đức phân tích rằng: “Thiên hạ hiện đại loạn. Nhà Đường chiếm Quan Trung, nước Trịnh của Vương Thế Sung đã chiếm Hà Nam, còn nước Hạ của chúng ta thì giữ Hà Bắc. Cục diện lúc này là ba phe chia thiên hạ. Nếu nhà Đường diệt Trịnh, tất sẽ quay sang diệt nước Hạ. Chi bằng hãy đem quân cứu nước Trịnh. Chờ khi hai nhà hợp lực đánh bại quân Đường, nếu chúng ta thấy nước Trịnh có thể thôn tính, thì tiện tay diệt nốt. Lúc đó thiên hạ sẽ thuộc về chúng ta.”
Đậu Kiến Đức nghe vậy bèn chấp thuận phái binh cứu Vương Thế Sung. Đồng thời, ông còn phái người đến doanh trại quân Đường, mong Lý Thế Dân ngừng tiến công.
Thế nhưng, Lý Thế Dân không hề trả lời yêu cầu ấy của Đậu Kiến Đức.
